CN109267809A - 预压组合式的非线性弹簧竖向隔振装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于振动及噪声控制领域，提供一种预压组合式的非线性弹簧竖向隔振装置，包括1号螺旋弹簧、2号螺旋弹簧、预应力筋、黏滞阻尼材料、限位杆、限位孔、上盖板、中作板和底座。本发明通过预应力使竖向串联的1号螺旋弹簧和2号螺旋弹簧分阶段受力而组成刚度非线性弹簧，通过设计1号螺旋弹簧和2号螺旋弹簧的刚度可使本发明同时保证在静载时有较大静刚度，而在动载时有较小动刚度；限位杆和限位孔保证本发明在承受较大作用时不发生过大变形；1号螺旋弹簧在振动时通过黏滞阻尼材料提供的阻尼耗能。本发明可广泛应用轨道交通减振降噪要求较高的特殊减振地段和浮置楼板等需竖向隔振的结构或设施，减振效果优于现有钢弹簧隔振器。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于预应力的预压组合式非线性弹簧竖向隔振装置，属于振动及噪声控制领域。
背景技术
随着社会经济的快速发展和城市范围的不断扩大，城市交通拥堵情况日益严重，轨道交通已成为解决城市交通拥堵的重要手段。目前，中国已有20多个城市拥有或拟建设地铁轨道线路，总投资金额超过6000亿元人民币。当轨道交通线路通过人口聚集地区时，其长期的运营必然造成振动和噪声污染，振动已被认为是世界七大公害污染之一，振动与噪声的污染必然会对轨道交通线路之上或周边的居民健康造成不利影响，也会对周围重要建筑里的精密仪器构成威胁，因此隔绝或减弱轨道交通造成的振动和噪音污染是一件有必要且有意义的事。
浮置式轨道结构是由钢筋混凝土道床板与弹性支座组成的质量弹簧***，通过减振弹簧元件将钢筋混凝土道床板悬浮起来，形成一种具有较高减振效果的轨道型式，其减振降噪效果比碎石道床轨道减少15-25dB，已经成为轨道交通减振要求较高的地段最优选择的轨道结构。但当运行列车的激励频率等于或接近浮动板轨道结构自身的固有频率时，振动无法得到有效的减弱，有时还会出现振动放大的现象，浮置板在列车运行中产生的较大位移，也会列车运行安全造成隐患，因此应用具有一定的局限性。
由此，在轨道交通附近的建筑，会受轨道交通所产生振动的影响，对建筑物内的居民居住健康和工作效率产生不利的影响；同时环境振动还会严重影响仪器的精度。且目前浮置楼板采用钢弹簧隔振，由于频率单一弹簧刚度固定无法很好的实现隔振的目标，应用也具有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的是为了解决浮置板轨道、建筑物内楼板和重要仪器设备竖向隔振问题，并提高隔振效率，提供一种预压组合式的非线性弹簧竖向隔振装置。
为了实现上述目标，本发明提供了如下技术方案：
本发明提出一种预压组合式的非线性弹簧竖向隔振装置，包括底座、1号螺旋弹簧、2号螺旋弹簧、黏滞阻尼材料、预应力筋、预应力筋锚固件、中作板、上盖板、限位杆和限位孔。
所述底座为筒形结构，底座上开设有中心凹槽及均匀布设在中心凹槽周边的若干限位孔，中心凹槽内填充黏滞阻尼材料，黏滞阻尼材料用以提供阻尼耗能；限位孔内部覆盖可缓冲冲击力的材料。
作为举例而非限定，在本发明中，黏滞阻尼材料既可以采用阻尼脂，也可以采用黏滞阻尼液；若采用阻尼脂，则直接将阻尼脂填充在中心凹槽内即可，无需密封；若采用黏滞阻尼液，则可以在中作板和底座的***设置一圈橡胶材料或柔软塑料将黏滞阻尼液密封，且橡胶材料或柔软塑料处于松弛状态，既不受压也不受拉。
所述1号螺旋弹簧竖向连接于中作板与底座之间，1号螺旋弹簧的底端连接于底座中心凹槽的中心，其顶端固定于中作板底部中心。
所述2号螺旋弹簧竖向连接于上盖板与中作板之间，2号螺旋弹簧的底端固定于中作板顶部中心，其顶端固定于上盖板底部中心。
若干预应力筋竖向连接于中作板和上盖板之间，并布设在2号螺旋弹簧外周，对预应力筋施加预应力后，通过对应的预应力筋锚固件将预应力筋固定在中作板与上盖板之间；同时，通过对预应力筋施加预应力可使2号螺旋弹簧处于预压状态。预应力筋的材料可采用高强钢绞线，或其他能提供足够抗拉强度且抗压强度可忽略的材料或构件。
进一步，所述中作板位于1号螺旋弹簧和2号螺旋弹簧之间，其周边开设有若干小孔，供预应力筋穿过；对应的，所述上盖板位于2号螺旋弹簧顶部，其周边也开设有若干小孔，供预应力筋穿过。
对应于限位孔所在位置，在中作板底部焊接有若干限位杆，限位杆与限位孔在纵向上一一对应，对应两者的纵向中心线处于同一竖向轴线上；初始状态下，限位杆与限位孔不接触；限位杆表面通过粘接紧密覆盖一层橡胶材料，用于限位杆和限位孔接触时的缓冲，限位杆的中心轴线与限位孔的中心轴线保持一致。
限位杆和限位孔共同组成大位移限位部件，通过限位杆和限位孔的接触传力，限制在本发明承受较大竖向作用时变形的快速增长。
本发明中通过1号螺旋弹簧和2号螺旋弹簧分阶段受力，使本发明刚度发生变化成为一种刚度非线性的弹簧，实现隔振不同阶段的刚度要求，从而提高隔振效率，以1号螺旋弹簧的振动带动黏滞阻尼材料的变形提供阻尼力实现阻尼耗能。
本发明提供的预压组合式的非线性弹簧竖向隔振装置的原理是：
通过1号螺旋弹簧和2号螺旋弹簧分阶段受力，实现非线性弹簧性能，使本发明在静载时提供较大的刚度，而在振动是提供较小的动刚度，以实现较高效率的隔振；
本发明具体受力阶段为：
(1)阶段一承受静力荷载时，2号螺旋弹簧由于处于预压状态，因此2号螺旋弹簧在初期受压时不会发生变形，2号螺旋弹簧会如刚体一般将上部竖向荷载传到给1号螺旋弹簧，此时1号螺旋弹簧会受力发生变形，该阶段由于只有1号螺旋弹簧发生变形，因此该阶段只有1号螺旋弹簧提供的刚度；
(2)阶段二为当振动传来时本隔振装置承受的作用进一步增大时，2号螺旋弹簧的预压力被抵消也开始发生变形，该阶段1号螺旋弹簧和2号螺旋弹簧同时发生变形，因此该阶段本隔振装置提供的刚度为1号螺旋弹簧和2号螺旋弹簧串联后的刚度，由于串联后的螺旋弹簧刚度减小，因此能比第一阶段刚度更有效的隔离振动；
(3)阶段三为当本装置受到偶然冲击或承受比第二阶段更大的作用力时，限位杆和限位孔从分离状态过渡为接触状态，此时由于限位杆和限位孔的接触传力使得1号螺旋弹簧不会发生进一步的压缩变形，而2号螺旋弹簧仍保持可变形的工作状态，因此该阶段只有2号螺旋弹簧提供的刚度，从而使该阶段的刚度大于第二阶段的刚度，以阻止过大变形的产生。
同时，本发明阶段二振动产生时，1号螺旋弹簧在黏滞阻尼材料中的振动会产生阻尼力，从而提供阻尼耗能进一步削弱振动。
本发明可适用于轨道交通轨道、竖向振动敏感建筑或重要设备基座的隔振，特别适用于轨道浮置板和浮置楼板的隔振，也可用于其余以竖向振动为危害的领域的隔振。
本发明的有益效果是：
(1)本装置受力初期的阶段一只通过1号螺旋弹簧的变形承压，能提供较大的承载刚度，能保证本装置所承载的上部结构或仪器的平稳与舒适。
(2)本装置在振动来临时达到阶段二，1号螺旋弹簧和2号螺旋弹簧同时变形承压，由于1号螺旋弹簧和2号螺旋弹簧的串联，能使本装置提供的总竖向刚度变小，能更有效的隔离振动。
(3)本装置在遭遇偶然的过大冲击时，由于大变形限位部件的存在，不会使本装置突发过大的变形，进一步保证隔振过程中的安全；
(4)采用黏滞阻尼材料的方式提供阻尼力，在提供充足阻尼力的同时，本装置阻尼的实现方式简单，便于操作。
(5)所用材料成本低廉，构造简单、加工方便，便于更换。
(6)可广泛应用轨道交通减振降噪要求较高地段、浮置楼板和重要仪器隔振。
附图说明
图1是本发明一种预压组合式的非线性弹簧竖向隔振装置立体图；
图2是本发明底座立体图；
图3是本发明1号螺旋弹簧立体图；
图4是本发明2号螺旋弹簧立体图；
图5是本发明预应力筋立体图；
图6是本发明中作板立体图；
图7是本发明上盖板立体图；
图8是本发明限位杆立体图；
图中标号：底座1、1号螺旋弹簧2、2号螺旋弹簧3、黏滞阻尼材料4、预应力筋5、预应力筋锚固件51、中作板6、中作板预应力筋预留孔61、上盖板7、上盖板预应力筋预留孔71、限位杆8、限位孔9。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。
实施例
如图1所示，一种预压组合式的非线性弹簧竖向隔振装置，包括底座1、1号螺旋弹簧2、2号螺旋弹簧3、黏滞阻尼材料4、预应力筋5、中作板6、上盖板7、限位杆8和限位孔9。
如图2所示，所述底座1为筒形，底座1上开设有一个中心凹槽和四个圆形的限位孔9，中心凹槽内填充黏滞阻尼材料4，四个限位孔9均匀布设在中心凹槽外周的环形上表面，限位孔9内通过粘接紧密覆盖一层橡胶。底座1的底部中心同时为1号螺旋弹簧2提供支撑。
作为举例而非限定，黏滞阻尼材料4既可以采用阻尼脂，也可以采用黏滞阻尼液；若采用阻尼脂，则直接将阻尼脂填充在中心凹槽内即可，无需密封；若采用黏滞阻尼液，则可以在中作板6和底座1的***设置一圈橡胶材料或柔软塑料将黏滞阻尼液密封，且橡胶材料或柔软塑料处于松弛状态，既不受压也不受拉。
如图1和图3所示，所述1号螺旋弹簧2竖向固接在底座1的中心，作为弹性阻尼单元。
如图1和图4所示，所述2号螺旋弹簧3竖向固接在中作板6中心与上盖板7中心之间，作为弹性阻尼单元。
如图3和图4所示，1号螺旋弹簧2、2号螺旋弹簧3均为钢弹簧，两者尺寸、长度和刚度等参数均可取不同值。
如图1和图5所示，上盖板7与中作板6之间设置有四根预应力筋5，预应力筋5的上下两端均设置有预应力筋锚固件51，预应力筋5可为钢绞线，预应力筋锚固件51为预应力施加时所需的锚具。进一步，如图6和图7所示，中作板6上开设有四个中作板预应力筋预留孔61，上盖板7上开设有四个上盖板预应力筋预留孔71，四根预应力筋5分别穿过中作板6的中作板预应力筋预留孔61和上盖板7的上盖板预应力筋预留孔71，对预应力筋5施加预应力后通过对应的预应力筋锚固件51固定预应力筋5。
如图6所示，中作板6下表面通过焊接或螺栓连接的方式安装四个限位杆8，限位杆8的安装位置与底座1上的限位孔9的中心轴线保持一致。进一步，中作板6下表面中心连接1号螺旋弹簧2的上端，中作板6上表面中心连接2号螺旋弹簧3的下端。
如图1所示，上盖板7下表面中心连接2号螺旋弹簧3的上端。
如图8所示，限位杆8为圆柱形钢棒，限位杆8一端焊接或螺栓连接于中作板6的下表面，其余表面通过粘接的方式紧密覆盖一层橡胶，用于缓冲限位杆8和限位孔9相接触产生的冲击力；限位杆8的中心轴线与限位孔9的中心轴线保持一致，并且限位杆8的圆面半径略小于限位孔9的圆面半径，以保证限位杆8能轻易***限位孔9。
以上是本发明的典型实例，本发明的实施不限于此。限位杆8和限位孔9的数量可变动，预应力筋的数量也可变动。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。
Claims (10)
1.一种预压组合式的非线性弹簧竖向隔振装置，其特征在于：包括底座(1)、1号螺旋弹簧(2)、2号螺旋弹簧(3)、黏滞阻尼材料(4)、预应力筋(5)、中作板(6)、上盖板(7)、限位杆(8)；
所述底座(1)上开设有中心凹槽及位于中心凹槽外周的若干限位孔(9)，中心凹槽中填充黏滞阻尼材料(4)；
所述1号螺旋弹簧(2)竖向固定于底座(1)的中心凹槽与中作板(6)的底部之间；所述2号螺旋弹簧(3)竖向固定于中作板(6)的顶部与上盖板(7)的底部之间；
所述中作板(6)与上盖板(7)之间安装有若干竖向设置的预应力筋(5)，若干预应力筋(5)均布设在2号螺旋弹簧(3)外周，并使2号螺旋弹簧(3)处于预压状态；
对应于底座(1)上若干限位孔(9)的所在位置，在中作板(6)底部设置有若干在纵向上与限位孔(9)一一对应的限位杆(8)，限位杆(8)和限位孔(9)组成大位移限位部件；在初始状态下，限位杆(8)与限位孔(9)不接触；在承受较大竖向作用时，通过限位杆(8)和限位孔(9)的接触，限制所述预压组合式的非线性弹簧竖向隔振装置变形的快速增长。
2.根据权利要求1所述的预压组合式的非线性弹簧竖向隔振装置，其特征在于：若干限位孔(9)均匀布设在底座(1)上。
3.根据权利要求1所述的预压组合式的非线性弹簧竖向隔振装置，其特征在于：所述1号螺旋弹簧(2)的底端连接在中心凹槽的中心，其顶端连接在中作板(6)的底部中心。
4.根据权利要求1所述的预压组合式的非线性弹簧竖向隔振装置，其特征在于：所述2号螺旋弹簧(3)的底端连接在中作板(6)的顶部中心，且顶端连接在上盖板(7)的底部中心。
5.根据权利要求1所述的预压组合式的非线性弹簧竖向隔振装置，其特征在于：若干预应力筋(5)均匀布设在2号螺旋弹簧(3)的外周。
6.根据权利要求1所述的预压组合式的非线性弹簧竖向隔振装置，其特征在于：所述中作板(6)和上盖板(7)上均开设有若干小孔，且上盖板(7)上的小孔与中作板(6)上的小孔一一上下对应，用于穿设预应力筋(5)；预应力筋(5)的上下两端均设置有预应力筋锚固件(51)；对预应力筋(5)施加预应力后，通过对应的预应力筋锚固件(51)将预应力筋(5)固定在中作板(6)与上盖板(7)之间，并使2号螺旋弹簧处于预压状态。
7.根据权利要求1所述的预压组合式的非线性弹簧竖向隔振装置，其特征在于：所述预应力筋(5)采用高强钢绞线，或其他能提供足够抗拉强度且抗压强度可忽略的材料或构件。
8.根据权利要求1所述的预压组合式的非线性弹簧竖向隔振装置，其特征在于：所述限位杆(8)的表面紧密覆盖有橡胶材料；所述限位孔(9)的内部紧密覆盖有缓冲材料。
9.根据权利要求1所述的预压组合式的非线性弹簧竖向隔振装置，其特征在于：所述黏滞阻尼材料(4)采用阻尼脂。
10.根据权利要求1所述的预压组合式的非线性弹簧竖向隔振装置，其特征在于：所述黏滞阻尼材料(4)采用黏滞阻尼液；
所述中作板(6)和底座(1)的***设置有一圈橡胶材料或柔软塑料将黏滞阻尼液密封，且橡胶材料或柔软塑料处于松弛状态，既不受压也不受拉。
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